DE19617887A1 - Werkzeug - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken ist es in der Regel
erforderlich, daß die Bearbeitungsgenauigkeit bestimmten
Anforderungen entspricht. So muß beispielsweise eine
Bohrung kreisförmigen Querschnitt haben und darf keinen
unrunden Querschnitt aufweisen. Um die Bearbeitungsqua
lität zu überprüfen, werden die Werkstücke nach der Be
arbeitung entweder manuell oder in Prüfstationen auf die
geforderte Bearbeitungsqualität hin überprüft. Stellt
sich ein Bearbeitungsfehler heraus, muß das Werkstück
entweder erneut bearbeitet werden, oder es ist Ausschuß.
Eine Nachbearbeitung des Werkstückes erfordert zusätzli
che Bearbeitungszeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungs
gemäße Werkzeug so auszubilden, das die geforderten Be
arbeitungsqualitäten einfach und dennoch zuverlässig
eingehalten werden können.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Werkzeug erfin
dungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru
ches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Werkzeug stellt ein intelligentes
Werkzeug dar, da bereits während oder unmittelbar nach
der Bearbeitung mit dem Sensor überprüft werden kann, ob
das Arbeitsergebnis den geforderten Anforderungen ent
spricht. Der Sensor überwacht zumindest einen Teil des
Bearbeitungsbereiches des Werkzeuges am Werkstück, so
daß während der Bearbeitung oder unmittelbar nach der
Bearbeitung eine Kontrolle hinsichtlich des Arbeitser
gebnisses möglich ist. Treten Fehler bei der Bearbeitung
des Werkstückes auf, kann die Auswerteeinheit, an welche
die Signale zur Auswertung übersandt werden, entspre
chend reagieren, beispielsweise ein Signal abgeben, so
daß bereits während oder unmittelbar nach der Bearbei
tung des Werkstückes Korrekturmaßnahmen ergriffen werden
können.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei
teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung und teilweise im
Schnitt eine erste Ausführungsform eines erfin
dungsgemäßen Werkzeuges,
Fig. 2
bis 5 in Darstellungen entsprechend Fig. 1 weitere
Aus führungsformen von erfindungsgemäßen Werk
zeugen,
Fig. 5a in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Werkzeuges,
Fig. 6 in schematischer Darstellung die Signalverar
beitung beim erfindungsgemäßen Werkzeug,
Fig. 7 eine elektronische Schaltung für den Einsatz
des erfindungsgemäßen Werkzeuges.
Bei den im folgenden beschriebenen Werkzeugen wird das
Bearbeitungsergebnis ständig gemessen und aufgrund der
Messung das Werkzeug und/oder das zu bearbeitende Werk
stück on line bis zum Sollergebnis nachgeführt. Zwischen
den Bearbeitungs- und Meßzyklen am Werkstück ist kein
Verfahren des Werkzeuges und/oder des Werkstückes und
ein Wechseln notwendig. Vielmehr wird das Arbeitsergeb
nis, beispielsweise die Rundheit einer Bohrung, unmit
telbar während der Bearbeitung gemessen und ausgewertet,
so daß Bearbeitungsfehler sofort erkannt und korrigiert
werden können. Das fertig bearbeitete Werkstück bedarf
darum keiner weiteren Überprüfung mehr. Da eine eventu
elle Korrektur während der Bearbeitung durchgeführt wer
den kann, ergeben sich äußerst kurze Bearbeitungszeiten
und insbesondere hohe Ergebnisqualitäten. Darüberhinaus
wird auch eine sehr hohe Werkzeuglebensdauer erreicht,
da infolge der online-Messung und -auswertung während
der Bearbeitung das entsprechende Werkzeug optimal lange
zur Bearbeitung verwendet werden kann.
Es ist auch möglich, mit dem Werkzeug die Bearbeitung am
Werkstück durchzuführen und unmittelbar anschließend das
Bearbeitungsergebnis zu messen und auszuwerten. Ent
spricht das Bearbeitungsergebnis nicht den gewünschten
Anforderungen, wird unmittelbar anschließend das Werk
zeug und/oder das Werkstück im erforderlichen Maße kor
rigiert und eine Nachbearbeitung durchgeführt. Während
bei der zuvor beschriebenen Ausführung die Messung, die
Auswertung und die eventuelle Korrektur während der Be
arbeitung erfolgen, wird im anderen Fall das Werkstück
zunächst bearbeitet, anschließend die Messung und die
Auswertung durchgeführt und dann gegebenenfalls eine
Nachbearbeitung vorgenommen. Im folgenden wird die Mes
sung während der Bearbeitung des Werkstückes näher be
schrieben. Die Messung und Auswertung nach der Bearbei
tung wird in entsprechender Weise zeitlich versetzt zur
Bearbeitung durchgeführt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist als Werkzeug 1
ein Zirkularfräser vorgesehen. Er hat einen Fräserteil
2, der in bekannter Weise ausgebildet ist. Der Fräser
teil 2 ist am freien Ende eines Halses 3 vorgesehen,
dessen Durchmesser kleiner ist als der Arbeitsdurchines
ser des Fräserteiles 2. Mit Abstand vom Fräserteil 2
geht der Hals 3 über einen Konusteil 4 in einen Ein
spannschaft 5 über. Mit ihm ist das Werkzeug 1 in einer
Werkzeugaufnahme 6 in bekannter Weise gehalten. Die
Werkzeugaufnahme 6 ist in Fig. 1 mit strichpunktierten
Linien angedeutet und hat eine Greifernut 7, in die ein
Greifer eines Handhabungsgerätes, wie beispielsweise ei
nes Werkzeugwechslers, in bekannter Weise eingreifen
kann. Die Werkzeugaufnahme 6 wird in eine Spindeleinheit
einer Bearbeitungsmaschine eingesetzt und in bekannter
Weise drehbar angetrieben.
Der Konusteil 4 des Werkzeuges 1 verjüngt sich in Rich
tung auf den Hals 3. Wie Fig. 1 zeigt, liegt der Konus
teil 4 mit axialem Abstand sowohl zur Werkzeugaufnahme
6 als auch zu einem Werkstück 8, das mit dem Werkzeug 1
bearbeitet wird.
Am Konusteil 4 ist wenigstens ein Fotosensor 9 vorgese
hen, der vorzugsweise ein Fotosensor-Array ist. Mit ihm
kann der Bearbeitungsbereich des Werkzeuges 1 in noch zu
beschreibender Weise überwacht werden. Da das Werkzeug 1
beim Zirkularfräsen mit hoher Drehzahl angetrieben wird,
reicht grundsätzlich ein Fotosensor 9 aus. Zur Erhöhung
der Meßgenauigkeit kann es vorteilhaft sein, wenigstens
zwei Fotosensoren 9 am Konusteil 4 des Werkzeuges 1 vor
zusehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei
Fotosensoren 9, 9′ vorgesehen, die jedoch unterschiedli
che Bereiche am Werkstück 8 während dessen Bearbeitung
überwachen. Jeder Fotosensor 9, 9′ ist über Leitungen 10
mit einem elektronischen Verarbeitungsmodul 11 verbun
den, das in einer axialen Aufnahme 12 des Einspannschaf
tes 5 untergebracht ist. Das Verarbeitungsmodul 11 ist
über Leitungen 13 an eine Energieversorgung 14 ange
schlossen, die ebenfalls im Einspannschaft 5 angeordnet
ist und beispielsweise ein Akku oder eine Batterie sein
kann. Auch eine externe Energieversorgung ist selbstver
ständlich möglich.
Durch die Aufnahme 12 kann Kühlmittel während der Bear
beitung des Werkstückes 8 in bekannter Weise hindurchge
führt werden. Das Verarbeitungsmodul 11, die Leitungen
13 und die Energieversorgung 14 sind aus diesem Grunde
in eine Kapselung eingebettet.
Die Fotosensoren 9, 9′ sind am Konusteil 4 so angeord
net, daß sie bearbeitete Flächen 15 und 16 des Werkstückes
8 sowie dessen Oberseite im Bearbeitungsbereich er
fassen können. Die Fläche 15 ist im dargestellten Aus
führungsbeispiel der Boden einer Sacklochbohrung 17,
während die Fläche 16 die Seitenwand der Sacklochbohrung
17 bildet. Der Fräserteil 2 hat dementsprechend (nicht
dargestellte) Stirnschneiden zur Bearbeitung des Bodens
15 und Umfangs schneiden zur Bearbeitung der Seitenwand
der Sacklochbohrung 17. Die Fotosensoren 9, 9′ erfassen
die bearbeiteten Flächen 15, 16 und die Werkstückober
seite den Bohrungsrand, was in Fig. 1 durch entsprechen
de Pfeile 18, 19 angedeutet ist. Die empfangenen Signale
18, 19 werden über die Leitungen 10 dem Verarbeitungsmo
dul 11 zugeführt. Es ist über Leitungen 20 mit einem auf
dem Einspannschaft 5 sitzenden Übertragungsring 21 ver
bunden, der mit geringem Abstand von einem weiteren
Übertragungsring 22 umgeben ist. Die beiden Ringe 21, 22
bilden Kontakte bzw. Sender/Empfänger für eine elektro
nische Signalübertragung. Die von den Fotosensoren 9, 9′
kommenden Signale werden über diese Schnittstelle nach
außen zu einem (nicht dargestellten) Rechner übertragen,
was in Fig. 1 durch Pfeile 23 angedeutet ist.
Bei der Bearbeitung des Werkstückes 8 dreht das Werkzeug
1 um seine Achse und wird außerdem um die Achse der
Sacklochbohrung 17 umlaufend bewegt. Während der Bear
beitung werden mit den Fotosensoren 9, 9′ der Boden 15
sowie die Seitenwand 16 der Sacklochbohrung und die
Werkstückoberseite im Bearbeitungsbereich bereits wäh
rend des Fräsvorganges erfaßt. Die Fotosensoren 9, 9′
übertragen entsprechende Signale an den Rechner. Er be
wertet die Signale on line und vergleicht die Ist-Signa
le mit im Rechner gespeicherten Soll-Signalen. Wird bei
spielsweise die Sacklochbohrung 17 nicht exakt rund ge
bohrt, wird dies augenblicklich bei der Auswertung im
Rechner festgestellt. Er gibt dann ein entsprechendes
Regelsignal an die Bearbeitungseinheit, die entsprechend
so korrigiert, daß die Sacklochbohrung 17 exakt rund ge
bahrt wird. Auf gleiche Weise können auch andere Krite
rien bei der Herstellung der Sacklochbohrung 17 über
wacht und korrigiert werden, so z. B. auch die Zylindri
zität der Seitenwand 16. Sollte die Seitenwand 16 bei
spielsweise eine unerwünschte konische Ausbildung haben,
kann der Rechner anhand der von den Fotosensoren 9 über
tragenen Signale diesen Fehler feststellen und entspre
chende Regel- bzw. Korrektursignale an die Bearbeitungs
einheit senden.
Aufgrund dieses sehenden Werkzeuges ist es möglich, be
reits während der Bearbeitung Fehler festzustellen und
augenblicklich zu korrigieren. Dadurch ist die Gewähr
dafür gegeben, daß das bearbeitete Werkstück 8 die er
forderliche Bearbeitungsqualität hat, so daß eine nach
folgende Prüfung bzw. Qualitätskontrolle von Hand oder
in einer gesonderten Prüfstation und/oder mit einem ge
sonderten Werkzeug entfallen kann.
Die Fotosensoren 9, 9′ können Zeilen- oder Flächen-Foto
sensor-Arrays sein. Die Signalübertragung über die Über
tragungsringe 21, 22 erfolgt kontaktlos, so daß Störun
gen während der Werkstückbearbeitung nicht zu befürchten
sind, zumal die Übertragungsringe 21, 22 in einem aus
reichenden Abstand vom Bearbeitungsbereich des Werkzeu
ges 1 vorgesehen sind. Der Übertragungsring 22 ist orts
fest, während der innere Übertragungsring 21 drehfest
mit dem Werkzeug verbunden ist.
Zur Unterstützung der direkten Vermessung der Bohrungs
geometrie mittels der optischen Sensoren 9, 9′ können
Dehnmeßstreifen 57 mit entsprechender Verschaltung am
Werkzeug 1 an geeigneten Stellen angebracht werden. Die
Signalverstärkung und -auswertung sowie die Energiever
sorgung kann sich ebenfalls auf dem rotierenden Werkzeug
1 befinden. Mittels der Dehnmeßstreifen 57 können Rück
schlüsse auf die Verformung des Werkzeuges 1 und damit
auf die Geometrie der erzeugten Bohrung gemacht werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist nur ein Foto
sensor 9 nahe der Stirnseite des Fräserteiles 2 des
Werkzeuges 1 angeordnet. Der Fräserteil 2 hat Umfangs
schneiden 24 und Stirnschneiden 25, mit denen die Sei
tenwand 16 und der Boden 15 der Sacklochbohrung 17 her
gestellt werden.
Der Fotosensor 9 ist an einer Schrägfläche 26 am freien
Ende des Fräserteiles 2 befestigt. Die Leitungen 10 ver
laufen axial durch den Fräserteil 2 bis zum Verarbei
tungsmodul 11, das wie beim vorigen Ausführungsbeispiel
in der Aufnahme 12 des Einspannschaftes 5 untergebracht
ist.
Da der Fotosensor 9 schräg zur Achse des Fräserteiles 2
angeordnet ist, kann mit ihm gleichzeitig der Boden 15
und die Seitenwand 16 der Sacklochbohrung 17 erfaßt wer
den. Das Ausführungsbeispiel entspricht im übrigen der
Ausführungsform nach Fig. 1. Die vom Fotosensor 9 kom
menden Signale werden kontaktlos über die Übertragungs
ringe 21, 22 an den Rechner übertragen, der die Signale
in der beschriebenen Weise auswertet und gegebenenfalls
eine Korrekturbewegung des Werkzeuges 1 veranlaßt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mit zwei
Fotosensoren 9, 9′ unterschiedliche Bereiche des zu be
arbeitenden Werkstückes 8 während der Bearbeitung erfaßt
werden. Das Werkzeug 1 ist ähnlich ausgebildet wie das
Werkzeug gemäß Fig. 2. Lediglich am Übergang vom Hals 3
in den Einspannschaft 5 ist kein Konusteil vorgesehen.
Statt dessen ist eine Ringschulter 27 vorhanden, die in
einer Radialebene der Werkzeuges 1 liegt und rechtwink
lig zur gemeinsamen Achse von Hals und Einspannschaft 5
verläuft. Auf der Ringschulterfläche 27 sind die beiden
Fotosensoren 9, 9′ angeordnet. Der Fräserteil 2 des
Werkzeuges 1 hat am freien Ende die Schrägfläche 26, auf
der ebenfalls ein Fotosensor 9 angeordnet ist. Außerdem
ist wenigstens ein weiterer Sensor 9 im Bereich zwischen
dem freien Ende des Fräserteiles 2 und der Ringschulter
27 vorgesehen. Er ist in Höhe des dem Hals 3 zugewandten
Endes der Schneiden 28 des Fräserteiles 2 in dessen Man
telfläche vorgesehen.
Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann mit dem
Fotosensor 9 am freien Ende des Fräserteiles 2 der Boden
15 sowie zumindest der untere Teil der Seitenwand 16 der
Sacklochbohrung 17 überwacht werden. Mit dem mittleren
Sensor 9 kann im Ausführungsbeispiel die Bohrungskante
29 der Sacklochbohrung 17 erfaßt werden. Mit den an der
Ringschulter 27 vorgesehenen Fotosensoren 9, 9′ kann
ebenfalls der Bohrungsrand 29 sowie die Seitenwand 16
der Sacklochbohrung sowie die Oberseite 30 des Werkstüc
kes 8 im Bereich der Sacklochbohrung 17 erfaßt werden.
Mit diesem Werkzeug ist somit während der Bearbeitung
eine vollständige Überwachung sämtlicher kritischer
Stellen beim Herstellen der Sacklochbohrung 17 möglich.
Die Fotosensoren sind an das Verarbeitungsmodul 11 ange
schlossen, das entsprechend den vorigen Ausführungsfor
men in der zentralen Aufnahme 12 des Einspannschaftes 5
untergebracht ist. Die Übertragung der von den Fotosen
soren 9, 9′ kommenden Signale an den Rechner erfolgt
wiederum berührungslos über die Übertragungsringe 21,
22. Das Verarbeitungsmodul 11 ist so ausgebildet, daß
die von den verschiedenen Fotosensoren 9, 9′ kommenden
Signale auch den entsprechenden Sensoren zugeordnet wer
den können. Im Rechner werden diese Signale ausgewertet,
so daß schon während der Bearbeitung des Werkstückes 8
eventuelle Fehler beim Fräsen der Sacklochbohrung 17
festgestellt werden können. Je nachdem, wo der Bearbei
tungsfehler auftritt, wird, gesteuert vom Rechner, das
Bearbeitungswerkzeug entsprechend korrigiert.
Fig. 4 zeigt ein Werkzeug 1 mit einem Fräserteil 2, ei
nen daran anschließenden, im Durchmesser kleineren Hals
3 und einem Einspannschaft 5. Mit ihm ist das Werkzeug 1
in der Werkzeugaufnahme 6 in bekannter Weise einge
spannt. Im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsbeispie
len sitzen die Energieversorgung 14, die Leitungen 13
und das Verarbeitungsmodul 11 in der Werkzeugaufnahme 6.
Der Einspannschaft 5 sitzt in einer Hülse 31, mit dem
das Werkzeug 1 in die Werkzeugaufnahme 6 eingesetzt
wird. Die Hülse 31 ist an ihrem dem Fräserteil 2 zuge
wandten Ende mit einem radial nach außen ragenden
Flansch 32 versehen, der in der gezeichneten Einbaulage
an der Stirnseite der Werkzeugaufnahme 6 anliegt. An der
dem Fräserteil zugewandten Stirnseite 33 des Flansches
32 ist mindestens ein Fotosensor 9 befestigt. Wie bei
den vorigen Ausführungsbeispielen können auch zwei oder
mehr Fotosensoren 9 über den Umfang des Flansches 32
vorgesehen sein. Die Stirnseite 33 des Flansches 32
liegt in einer Radialebene der Hülse 31 mit Abstand vom
Fräserteil 2. An der Stirnseite 33 des Flansches 32 ist
außerdem mindestens eine Schneidplatte 34, vorzugsweise
eine Wendeschneidplatte, befestigt, mit der gesenkt wer
den kann.
Der Fotosensor 9 ist über eine Leitung 35 mit einer Da
tenschnittstelle 36 verbunden, die ihrerseits über die
Leitung 10 mit dem Verarbeitungsmodul 11 verbunden ist.
Die Leitung 35 ist im Flansch 32 der Hülse 31 vorgese
hen, während die Leitung 10 durch die Werkzeugaufnahme 6
verläuft. Das Verarbeitungsmodul 11, die Leitungen 13
und die Energieversorgung 14 sind in einem zentralen
axialen Hohlraum 37 der Werkzeugaufnahme 6 unterge
bracht, die wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen
als Aufnahmedorn ausgebildet ist. Das Verarbeitungsmodul
11 ist mit einem Signalübertrager 38 versehen, der vor
teilhaft in der Greifernut 7 der Werkzeugaufnahme 6 an
geordnet ist. Über den Signalübertrager 38 werden die
vom Fotosensor 9 kommenden und im Verarbeitungsmodul 11
umgesetzten Signale an den (nicht dargestellten) Rechner
weitergeleitet.
Im Hohlraum 37 der Werkzeugaufnahme 6 sind das Verarbei
tungsmodul 11, die Leitungen 13 und die Energieversor
gung 14 zwischen zwei Schraubelementen 39 und 40 ange
ordnet. Das Schraubelement 40 ragt mit Spiel in die Hül
se 31 und ist wie das Schraubelement 39 in eine Gewinde
bohrung 41 der Werkzeugaufnahme 6 geschraubt. Das
Schraubelement 40 dient als einstellbarer Axialanschlag
für das Werkzeug 1.
Da der Fotosensor 9 senkrecht zur Achse des Werkzeuges 1
angeordnet ist, kann er während des Fräsens der Sack
lochbohrung 17 im Werkstück 8 sowohl die zylindrische
Seitenwand 16 als auch den Boden 15 der Sacklochbohrung
17 sowie auch die Bohrungskante 29 während des Fräsvor
ganges erfassen. Somit ist auch bei diesem Werkzeug eine
Online-Überwachung und -Korrektur möglich. Vom Rechner
wird das Bearbeitungsergebnis ständig gemessen und aus
gewertet. Stimmt das Bearbeitungsergebnis mit dem ge
wünschten Soll-Ergebnis nicht überein, wird - wie bei
den vorigen Ausführungsbeispielen - das Werkzeug 1 on
line nachgeführt, so daß bereits während der Bearbeitung
die notwendige Korrektur vorgenommen wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird wiederum ein
Werkzeug 1 eingesetzt, das gleich ausgebildet ist wie
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Als Fotosensor 9
wird eine Endoskopoptik verwendet, die zentrisch und
axial durch die Aufnahme 12 des Werkzeuges 1 geführt
ist. Die Endoskopoptik 9 erstreckt sich durch die Werk
zeugaufnahme 6 bis zu einem Kamerakopf 42, der festste
hend, aber auch mitbewegt sein kann. Innerhalb der Werk
zeugaufnahme 6 befindet sich eine Beleuchtungseinheit 43
mit Markenprojektor, mit der in bekannter Weise das für
die Endoskopoptik 9 erforderliche Licht erzeugt wird.
Die Endoskopoptik 9 hat ein dünnes Rohr 44, das durch
die zentrale Aufnahme des Werkzeuges 1 verläuft und das
mit einem Linsensystem oder einer Glasfaseroptik verse
hen ist. Das Werkzeug 1 weist mindestens eine Ausblick
öffnung 45 auf, durch welche die Endoskopoptik den Bear
beitungsbereich des Werkzeuges einsehen kann. Wie in
Fig. 5 durch Pfeile angedeutet ist, kann die Ausblick
öffnung 45 an unterschiedlichen Stellen des Werkzeuges
vorgesehen sein. Die Lage der Ausblicköffnung 45 richtet
sich danach, welche Bearbeitung am Werkstück 8 durchge
führt und/oder welcher Werkstückbereich während der Be
arbeitung überwacht werden soll. Selbstverständlich ist
es auch möglich, zwei oder mehr Ausblicköffnungen 45 an
unterschiedlichen Stellen des Werkzeuges 1 vorzusehen.
Die Endoskopoptik 9 wird so angeordnet, daß die Beobach
tung des Bearbeitungsergebnisses durch das jeweilige
Ausblickfenster 45 möglich ist. Hat das Werkzeug 1 zwei
oder mehr Ausblicköffnungen 45 an unterschiedlichen
Stellen, ist es vorteilhaft, wenn das Rohr 44 der Endos
kopoptik 9 verschiebbar in der Aufnahme 12 des Werkzeu
ges 1 untergebracht ist.
Die Beleuchtungseinheit 43 kann auch außerhalb der Auf
nahme 6, beispielsweise im freien Arbeitsraum, angeord
net sein. Wesentlich ist, daß das am freien Ende des
Rohres 44 vorgesehene Beobachtungsteil 46 in Höhe der
jeweiligen Ausblicköffnung 45 liegt.
Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt die
elektronische Signalübertragung über die beiden Übertra
gungsringe 21, 22.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das
Beobachtungsteil 46 nahe dem freien Ende des Fräsertei
les 2 des Werkzeuges 1 vorgesehen. Durch das entspre
chende Ausblickfenster 45 kann somit der untere Bereich
der Sacklochbohrung 17 während der Bearbeitung beobach
tet und erfaßt werden. Die Achse der unteren Ausblick
öffnung 45 ist radial zur Achse des Werkzeuges 1 vorge
sehen, so daß die Seitenwand 16 der Sacklochbohrung 17
erfaßt wird. Die Achse der Ausblicköffnung 45 kann
selbstverständlich auch schräg nach unten gerichtet
sein, so daß gleichzeitig auch der Boden 15 der Sack
lochbohrung während der Bearbeitung erfaßt werden kann.
Die vom Beabachtungsteil 46 erfaßten Bereiche des Werk
stückes 8 werden in bekannter Weise zum Kamerakopf 42 in
Form von Lichtsignalen übertragen. Der Kamerakopf 42
kann in bei Endoskopoptiken bekannter Weise ausgebildet
sein oder beispielsweise ein Fotosensor-Array 9a ent
sprechend den vorigen Ausführungsbeispielen enthalten.
Vom Kamerakopf 42 aus werden die Signale entsprechend
den vorigen Ausführungsbeispielen ausgewertet.
Je nach Lage der Ausblicköffnung 45 im Fräserteil 2 las
sen sich auch andere Arbeitsbereiche des Werkzeuges und
damit andere Bearbeitungsstellen am Werkstück 8 beobach
ten.
Grundsätzlich ist es auch möglich, beispielsweise durch
zwei, an unterschiedlichen Stellen des Werkzeuges 1 vor
gesehene Ausblicköffnungen gleichzeitig unterschiedliche
Bearbeitungsbereiche am Werkstück 8 mit der Endoskopop
tik 9 zu beobachten. Um die entsprechenden Informationen
optisch zuordnen zu können, kann beispielsweise das
Licht polarisiert werden. In diesem Falle können durch
unterschiedliche Polarisation die Signale der jeweiligen
Ausblicköffnung 45 zugeordnet werden. Eine weitere Mög
lichkeit der Zuordnung wäre die Verwendung von Farblicht
mit einem zugehörigen selektiven Strahlteiler. Durch die
Farbunterscheidung können die übersandten Signale eben
falls der jeweiligen Ausblicköffnung 45 zugeordnet wer
den.
Die Auslenkung des Werkzeugs während der Bearbeitung
kann nach dem in Fig. 5a gezeigten Prinzip erfolgen.
Dort ist die Optik der endoskopartigen Beobachtungsein
richtung 9 starr mit der Werkzeugaufnahme 6 verbunden
und wird durch das Werkzeug 1 mit ausreichendem Abstand
berührungsfrei hindurchgeführt. Die Blickrichtung der
Optik zeigt auf eine Strichplatte 58, die in einer Boh
rung des Werkzeugs 1 angebracht ist. Sobald mit dem
Werkzeug 1 zerspant wird, treten Schnittkräfte auf, die
hauptsächlich den Schneidenbereich des Werkzeugs 1 ver
formen. Dadurch kommt es zu einer Relativbewegung zwi
schen Werkzeug 1 und Endoskopoptik 9, die über die Be
obachtung der Bewegung der Strichplatte 58 sichtbar ge
macht werden kann. Die Erfassung der Bildsignale ge
schieht wiederum über ein Fotoarray 9a am Ende der En
doskopoptik 9. Die weitere Auswertung der Signale er
folgt in der Weise, wie es aufgrund von Fig. 5 beschrie
ben und anhand der Fig. 6 und 7 noch näher erläutert
werden wird. Um Schwingungen der Endoskopoptik 9 während
der Bearbeitung zu vermeiden, ist diese vorteilhaft so
kurz wie möglich auszuführen. Gegebenenfalls kann die
Endoskopoptik 9 im Schaftteil 5 des Werkzeugs 1 zusätz
lich abgestützt werden, weil dort kaum Verformungen auf
treten. Im übrigen ist diese Ausführungsform gleich aus
gebildet wie das Werkzeug gemäß Fig. 5.
Die anhand der Fig. 1 bis 5, 5a beschriebenen Werkzeuge
sind nur beispielhaft Fräswerkzeuge. Es können selbst
verständlich auch andere Werkzeuge, z. B. Ausdrehwerkzeu
ge, Drehmeißel, Schleifwerkzeuge und dergleichen, als
sehende Werkzeuge ausgebildet werden, bei denen eine On
line-Vermessung sowie eine Online-Korrektur durchgeführt
werden kann.
Anhand von Fig. 6 soll die Regelung des Werkzeuges bzw.
der Werkzeugeinheit näher erläutert werden. Beispielhaft
wird davon ausgegangen, daß das Werkzeug 1 zwei Fotosen
soren 9 hat, die jeweils als Fotosensor-Arrays ausgebil
det sind. Mit ihnen findet eine erste Signalverarbeitung
statt. Die Signale werden über die Leitungen 10 dem Ver
arbeitungsmodul 11 zugeführt. Es ist ein Signalprozes
sor, der eine Signalverarbeitungsstufe enthält, in wel
cher die Signale zusammengefaßt, ausgewertet und kompri
miert werden. Über die Kontakte 21, 22 (Übertragungsrin
ge) bzw. 38 werden die im Verarbeitungsmodul 11 verar
beiteten Daten einem Regler 47 zugeführt, der Bestand
teil des Rechners ist. Der Regler 47 ist an einen Mikro
prozessor 48 des Rechners angeschlossen. Die Energiever
sorgung 14, die in Fig. 6 schematisch gezeichnet ist,
ist ebenfalls an den Mikroprozessor 48 angeschlossen.
Dem Regler 47 werden nicht nur die von den Fotosensoren
9 gemessenen Signale als Ist-Werte zugeführt, sondern
vom Mikroprozessor 48 auch die Sollwert-Signale. Im Reg
ler 47 findet der Soll-Ist-Wert-Vergleich statt. Treten
Abweichungen auf, werden Aktoren 49 der Bearbeitungsein
heit bzw. -maschine mit entsprechenden Regelsignalen 50
beaufschlagt. Mit den Aktoren können Stellmotoren, Vor
schubantriebe und dergleichen an Bearbeitungsmaschinen
geregelt werden, mit denen die Werkzeuge entsprechend
korrigiert werden. Die Steuerung der Aktoren erfolgt
vorteilhaft ebenfalls durch den Mikroprozessor 48.
Der Bereich von den Sensoren 9 bis zur Energieversorgung
14 bzw. den Kontakten 21, 22, 38 ist dem Werkzeug zuzu
rechnen, während der übrige Bereich der dargestellten
Regelung der Bearbeitungseinheit zuzurechnen ist. Auf
grund der beschriebenen Echtzeitregelung, die teilweise
in das Werkzeug 1 integriert ist, kann während der Bear
beitung das Bearbeitungsergebnis gemessen und ausgewer
tet und anhand des Auswertungsergebnisses on line korri
giert werden.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die zugehörige Elektronik.
Als Fotosensoren 9, 9′ sind Fotodiodenzeilen vorgesehen,
die über jeweils einen Verstärker 51 an einen Multiple
xer 52 angeschlossen sind. Er ist über einen Analog-Di
gital-Wandler 53 mit dem Verarbeitungsmodul 11 verbun
den. Es hat einen digitalen Signalprozessor 54, an den
der Analog-Digital-Wandler 53 angeschlossen ist. Im Sig
nalprozessor 54 werden die Digitalsignale verstärkt und
extrahiert. Die so aufbereiteten Signale werden in einem
Datenspeicher 55 des Verarbeitungsmoduls 11 abgelegt.
Diese Daten bilden die Ist-Daten, welche das jeweilige
Arbeitsergebnis am Werkstück kennzeichnen. Der Signal
prozessor 54 und der Datenspeicher 55 sind an den Mikro
prozessor 48 angeschlossen. Es liefert Soll-Daten an den
digitalen Regler 47, in dem diese Soll-Daten mit den
Ist-Daten verglichen werden.
Je nach Ergebnis dieses Vergleiches werden Regelsignale
50 den jeweiligen Aktoren 49 zugeführt, der an den Mi
kroprozessor 48 angeschlossen ist. Die Regelsignale wer
den über einen (nicht dargestellten) Digital-Analog-Wandler
in Steuersignale für einen Stellmotor, einen
Vorschubantrieb und dergleichen einer Bearbeitungsma
schine umgesetzt.
Die im Datenspeicher 55 abgelegten Ist-Daten können über
eine Leitung 56 abgerufen werden, so daß das jeweilige
Bearbeitungsergebnis beispielsweise in Form von Meßdaten
ausgedruckt oder in einer Anzeige dargestellt werden
kann. Somit ist auch eine Protokollierung der Bearbei
tung am jeweiligen Werkstück möglich.
Der Regler 47 generiert in Echtzeit die Steuersignale
für die jeweilige Bearbeitungseinheit, um das Werkzeug
und/oder das Werkstück entsprechend zu bewegen, um auf
getretene Abweichungen von einem Soll-Ergebnis zu korri
gieren. Die erforderlichen elektronischen Teile bestehen
aus höchstintegrierten elektronischen Mikrochips, die
auch in kleinen Werkzeugen untergebracht werden können.
Die Fotosensoren sind vorzugsweise integrierte, miniatu
risierte Fotosensor-Arrays, die als Zeilen- oder Fläche
narrays ausgebildet sind. Die Sensorsignalvielfalt wird
verdichtet und in robuste Digitalsignale mittels des
Analog-Digital-Wandlers 53 gewandelt. Um die Datenrate
klein und damit die Auswertezeiten gering zu halten,
werden die Daten im Verarbeitungsmodul 11 komprimiert.
Der Regler 47 bewertet das Bearbeitungsergebnis on line
und erzeugt ebenfalls on line die entsprechenden Regel
signale 50.
Da die Fotosensoren die Bearbeitung des Werkstückes 8
durch das Werkzeug 1 ständig überwachen, findet ein
ständiger Vergleich zwischen den Ist-Daten und den Soll-Daten
statt. Im Datenspeicher 55 verbleiben die Ist-Da
ten vorteilhaft nur so lange, wie sie zum Soll-Ist-Wert-Vergleich
durch den Regler 47 benötigt werden. Dann kann
der Speicherbedarf klein gehalten werden. Bei entspre
chender Größe des Datenspeichers 55 ist es selbstver
ständlich möglich, sämtliche während eines Bearbeitungs
vorganges anfallende Daten zu speichern. Hierbei wirkt
sich vorteilhaft aus, daß die Ist-Daten komprimiert wer
den. Insbesondere stehen dann die Meßdaten auch nach Be
endigung des Bearbeitungsprozesses zur Verfügung, so daß
sie über die Leitung 56 anschließend aus dem Datenspei
cher 55 gelesen und beispielsweise ausgedruckt werden
können.
Claims (30)
1. Werkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken, mit einem
Arbeitsteil und einem Einspannschaft, der in einer
Werkzeugaufnahme aufnehmbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein gegen
den Bearbeitungsbereich am Werkstück (8) gerichte
ter Sensor (9, 9′) vorgesehen ist, der zumindest
einen Teil des Bearbeitungsbereiches des Werkzeuges
(1) erfaßt und entsprechende Signale an wenigstens
eine Auswerteeinheit überträgt.
2. Werkzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) an
der Außenseite des Werkzeuges (1) vorgesehen ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) am
Arbeitsteil (2) des Werkzeuges (1) vorgesehen ist.
4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) an
einem Hals (3) des Werkzeuges (1) vorgesehen ist.
5. Werkzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) im
Werkzeug (1) vorgesehen ist.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) an
der Außenseite der Werkzeugaufnahme (6, 31) vorge
sehen ist.
7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) in
der Werkzeugaufnahme (6, 31) untergebracht ist.
8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) eine
Fotodiodenzeile oder ein Fotodioden-Array ist.
9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) durch
eine Endoskopoptik gebildet ist.
10. Werkzeug nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Endoskopoptik (9)
durch das Werkzeug (1) verläuft und ein Rohr (44)
aufweist, das am freien Ende mit einem Beobachtung
steil (46) versehen ist.
11. Werkzeug nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) minde
stens eine Ausblicköffnung (45) für das Beobach
tungsteil (46) aufweist.
12. Werkzeug nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß in Blickrichtung des
Beobachtungsteiles (46) mindestens eine fest mit
dem Werkzeug (1) verbundene Strichplatte (58) vor
gesehen ist.
13. Werkzeug nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strichplatte (58)
in einer Bohrung im Arbeitsteil (2) des Werkzeuges
(1) untergebracht ist.
14. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) an
ein Datenumwandlungsmodul (11) angeschlossen ist.
15. Werkzeug nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Datenumwandlungsmo
dul (11) im Werkzeug (1), vorzugsweise in dessen
Einspannschaft (5), untergebracht ist.
16. Werkzeug nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Datenumwandlungsmo
dul (11) in der Werkzeugaufnahme (6, 31) unterge
bracht ist.
17. Werkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das Datenumwandlungsmo
dul (11) einen Signalprozessor (54) aufweist.
18. Werkzeug nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalprozessor
(54) ein Datenspeicher (55) nachgeschaltet ist.
19. Werkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Datenumwandlungsmo
dul (11) ein Analog-Digital-Wandler (53) vorge
schaltet ist.
20. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9, 9′) an
einen Multiplexer (52) angeschlossen ist.
21. Werkzeug nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Wandler
(53) zwischen dem Multiplexer (52) und dem
Datenumwandlungsmodul (11) liegt.
22. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein
Rechner ist.
23. Werkzeug nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signale kontaktlos
an den Rechner übertragbar sind.
24. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signale zur Rege
lung des Werkzeuges (1) herangezogen werden.
25. Werkzeug nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signale einem Reg
ler (47) zuführbar sind, der sie mit Soll-Signalen
vergleicht und bei Abweichungen ein Regelsignal
(50) abgibt.
26. Werkzeug nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal (50)
einem Aktor (49) zuführbar ist, mit dem ein Stell
motor, ein Vorschubantrieb und dergleichen einer
Bearbeitungsmaschine antreibbar ist.
27. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit die
vom Sensor (9, 9′) kommenden Signale on line aus
wertet und on line die Regelsignale (50) erzeugt.
28. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung
ein Akku (14), eine Batterie oder eine externe
Stromquelle vorgesehen ist.
29. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) mit
Dehnmeßstreifen (57) versehen ist.
30. Werkzeug nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnmeßstreifen (57)
am Arbeitsteil (2) des Werkzeuges (1) vorgesehen
sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8141 | Disposal/no request for examination |